Geração Automática de Planos de Tratamento para Cirurgia
Ortognática e Aprimoramento de Análise Cefalométrica em 3D:
Visão Geral
R. M. G. Santos, J. M. De Martino (Orientador), L. A. Passeri (Coorientador)
Departamento de Engenharia de Computação e Automação Industrial (DCA)
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC)
Universidade Estadual de Campinas (Unicamp)
Av. Albert Einstein, 400 – Campinas, SP, Brasil – CEP: 13083-852
{mologni, martino}@dca.fee.unicamp.br, [email protected]
Abstract – Nowadays the diagnosis and treatment planning in orthognathic surgery can be performed on a 3D
virtual model of the patient’s head. Seeking to contribute to advance this technology, this project’s main objectives
are: (1) to develop computing methods to automatically generate surgical treatment planning for adult skeletal
malocclusions; and (2) to establish a true 3D cephalometric analysis based on 3D measures to effectively explore
the added dimension by computed tomography compared to cephalometric radiography. The following activities are
being performed on cone-beam computed tomography images: identifying cephalometric landmarks, computing 2D
and 3D measures, creating virtual heads and simulating surgical correction. The expected results are: (1) extension
of the McMamara’s composite normative standards to 3D; (2) development of computing methods to provide 3D
automated treatment planning in orthognathic surgery; and (3) definition of a true 3D cephalometric analysis.
Keywords – Computed tomography cone-beam, Three-dimensional cephalometric analysis, Orthognathic
surgery, Automated treatment planning
1. Introdução
A tecnologia mais recente à disposição da Cirurgia
Ortognática permite que o diagnóstico e o plano de
tratamento cirúrgico de traumatismos e deformidades dentofaciais, que até então eram realizados somente com o uso de telerradiografias, fotografias e
modelos de gesso das arcadas dentárias do paciente,
de agora em diante possam ser executados também
num ambiente virtual, fazendo uso de um modelo
anatômico de sua cabeça (ver Figura 1). Esse modelo, criado a partir de, no mínimo, uma tomografia
computadorizada (TC) e uma fotografia, descreve a
geometria das estruturas esqueléticas, dentais e tegumentares da cabeça do paciente [26].
No mercado, há uma variedade de programas de
computador especializados em auxiliar o cirurgião
no estudo clínico de cirurgias ortognáticas explorando a tecnologia em 3D. Dentre esses produtos,
destacam-se: Dolphin 3D Surgery (Patterson Dental
Supply, EUA), Invivo5 (Anatomage, EUA), Maxilim (Medicim NV, Bélgica) e SimPlant O&O (Materialise Dental, Bélgica). Estes produtos fornecem
ambientes para o usuário visualizar e manipular um
modelo virtual do paciente. De modo geral, essa
manipulação é realizada por meio de análises cefalométricas e simulações de osteotomias e movimentação de segmentos ósseos. Eles ainda são capazes
de simular, em tempo real, a interação física entre os
tecidos duros e moles de revestimento da face e do
pescoço e, desta forma, gerar uma representação fotorealista do efeito pós-cirúrgico desejado [17, 24].
A inovação proporcionada por essa tecnologia
oferece vários benefícios potenciais ao cirurgião [1,
26], tais como:
Figura 1. Exemplo de um modelo virtual da cabeça de um paciente gerado por meio do Maxilim. Fonte: [26, p. 2083].
• Aumenta de maneira significativa a confiabilidade no diagnóstico, visto que permite uma
navegação em profundidade na anatomia craniana do paciente;
• Favorece a avaliação da morfologia craniofacial, uma vez que a cabeça virtual é fidedigna
à real, possibilitando assim a realização de
medidas precisas e de análises cefalométricas
acuradas;
• Facilita a comunicação com o paciente, dado
que uma representação estimada do resultado
pós-cirúrgico pode ser apresentada a ele;
• Viabiliza a confecção de guias cirúrgicos por
prototipagem rápida.
As perspectivas indicam que no futuro essa tecnologia, ainda em desenvolvimento, substituirá os métodos tradicionais de planejamento cirúrgico, de modo
que este seja totalmente realizado por meio de um
computador pessoal.
Apesar dos benefícios mencionados, por se tratar de uma tecnologia ainda muito recente, ela também apresenta problemas e desafios. Hoje, as temáticas que mais se destacam são a automatização de
procedimentos da Cirurgia Ortognática e a elaboração de análises cefalométricas em 3D. Este trabalho
buscará contribuir em ambas.
1.1. Automatização de Procedimentos da
Cirurgia Ortognática
Os principais grupos de pesquisa atuantes nesta temática concentram seus esforços no estudo e desenvolvimento de métodos para localização automática dos pontos de referência cefalométricos em
imagens de TC [11, 14] e na simulação em tempo
real do comportamento do tecido mole facial em reflexo ao reposicionamento de segmentos de tecidos
duros [13, 15, 19]. Na Ortodontia, com aplicações
na Cirurgia Ortognática, podem ser destacados os
estudos para segmentação automática dos elementos dentários em imagens de TC [12] e o estabelecimento virtual da oclusão dentária por movimentação de modelos geométricos das arcadas superior e
inferior [6]. Buscando tratar um problema até então
pouco estudado, o presente trabalho pretende automatizar a elaboração de planos de tratamento cirúrgico a indivíduos adultos portadores de maloclusões
esqueléticas, realizando de modo automático a movimentação dos segmentos ósseos da cabeça virtual.
1.2. Elaboração de Análise Cefalométrica
em 3D
Embora não seja a única fonte de informação usada
na avaliação clínica, a análise cefalométrica é um
instrumento de fundamental importância para o diagnóstico e o plano de tratamento das deformidades
dentofaciais. A primeira tentativa de análise cefalométrica em 3D foi proposta por Grayson et al. [8],
que, por meio da combinação de telerradiografias
lateral e frontal em um sistema de coordenadas integrado, conseguiu estimar as coordenadas em 3D
dos pontos cefalométricos. As análises cefalométricas multiplanares [9, 10], tal como a anterior, surgiram com o propósito de tratar uma das limitações
das análises cefalométricas laterais: o estudo das assimetrias faciais. O surgimento da TC por feixe cônico (TCFC) propiciou que as análises cefalométricas pudessem ser realizadas sobre informações originalmente em 3D e, consequentemente, com mensurações antes não praticáveis. Entretanto, apesar
da alta precisão e reprodutibilidade das medidas cefalométricas obtidas por TCFC frente a telerradiografia [21], foram poucas as tentativas de exploração da dimensão acrescida. Um exemplo é o cálculo
da curvatura dos maxilares elaborado por Bayome
et al. [3]. De forma geral, as imagens de TCFC são
usadas para identificação dos pontos cefalométricos
em 3D, mas as medidas ainda são essencialmente
planares, ou seja, realizadas sobre as vistas axial,
sagital e coronal [3, 7, 18, 20, 25].
Visando investigar quais seriam os benefícios e
as dificuldades da terceira dimensão na elaboração
de planos de tratamento cirúrgico, fará parte do escopo deste trabalho adaptar uma análise cefalométrica em norma lateral consolidada, visando criar
um padrão cefalométrico com mensurações em 3D.
Para tal, serão consideradas como ponto de partida,
as medidas realizadas por McNamara Jr. [16] em sua
análise – a intenção com isto é reaproveitar as relações métricas identificadas por ele e mostrar quais
seriam as vantagens da terceira dimensão na rotina
clínica. Será necessário obter as medidas em 3D
do padrão de normalidade para indivíduos adultos
elaborado por McNamara, similar ao que foi realizado por Wong et al. [27] para a população chinesa;
mas desta vez, para indivíduos caucasianos locais,
usando outra abordagem para definição do referencial e dos cálculos em 3D, e verificando a correlação entre as medidas em 2D e 3D, a fim de garantir que as deformidades detectadas em 2D também são identificadas em 3D. Em um segundo momento, será elaborada uma análise cefalométrica em
3D verdadeira.
2. Proposta
São objetivos gerais e específicos do presente trabalho:
1. Desenvolver métodos computacionais para a
elaboração automatizada de planos de tratamento cirúrgico a indivíduos adultos portadores de maloclusões esqueléticas;
(a) Compor uma norma cefalométrica com
mensurações em 3D por meio da adaptação de uma análise cefalométrica em
norma lateral consistente (de McNamara);
(b) Aplicar e avaliar quais técnicas de otimização numérica propiciam melhores
resultados;
(c) Detectar quais medidas devem ser preferencialmente ponderadas para se produzir planos de tratamento mais confiáveis;
2. Estabelecer uma análise cefalométrica com
medidas em 3D que explore a dimensão
acrescida pela TC em relação à telerradiografia;
(a) Comparar as principais análises cefalométricas, tanto em 2D como em 3D, a
fim de se detectar suas limitações e reaproveitar suas utilidades;
(b) Identificar quais mensurações obtidas
via TC beneficiariam o planejamento
cirúrgico.
3. Resultados
Esperam-se como resultados finais:
1. O estabelecimento de um padrão cefalométrico em 3D que estenda o padrão em 2D definido por McNamara sem perder a compatibilidade com este;
2. O desenvolvimento de métodos computacionais que possibilitem a elaboração automatizada de planos de tratamento em cirurgia ortognática num ambiente virtual em 3D;
3. A elaboração de uma análise cefalométrica
originalmente em 3D.
Os resultados serão expressos por meio da elaboração de uma tese de doutorado e de, ao menos, três
artigos científicos, um para cada resultado, sendo
dois na área da Odontologia e um na área da Computação.
4. Conclusões
A dificuldade no diagnóstico e na definição do plano
de tratamento de pacientes portadores de maloclusão de Classe III esquelética, caracterizada basicamente pela presença de retrognatismo maxilar,
prognatismo mandibular ou uma combinação de
ambos, é um bom exemplo do benefício da automatização destas tarefas. Casos clínicos desta
classe estão mais sujeitos à divergência de tratamentos. Isto se deve, principalmente, à complexidade
na identificação do tipo de deformidade dentofacial
(se é um prognatismo mandibular verdadeiro ou um
pseudoprognatismo mandibular, por exemplo), às
diferentes abordagens de tratamento, aos variados
tipos de morfologias esqueléticas e aos fatores adicionais que devem ser considerados pelo cirurgião,
como: redução das vias aéreas superiores, problemas de articulações temporomandibulares, além do
próprio desejo do paciente [2, 4, 5, 22, 23]. Com uso
do computador, um número maior de variáveis pode
ser processado com o objetivo de facilitar a análise
do problema pelo cirurgião.
O desenvolvimento do método proposto abre a
oportunidade para a implementação de um sistema
computacional que poderia ser aplicado, por exemplo:
• No ensino e treinamento de cirurgiõesdentistas residentes em Cirurgia e Traumatologia Bucomaxilofacial, permitindo que os
planos de tratamento cirúrgicos elaborados
por eles possam ser comparados aos gerados
pelo sistema;
• Na confirmação de planos de tratamentos de
casos mais complexos, que exigem vasta experiência clínica. Sendo assim, especialmente
útil para cirurgiões recém-formados;
• Na elaboração de planos de tratamento para
posterior aprovação do cirurgião, desonerando o profissional experiente de tarefas laboriosas e demoradas.
Apesar da atual tecnologia em 3D fornecer ambientes propícios para o planejamento cirúrgico virtual, com ferramentas para a identificação de pontos cefalométricos, a realização de medidas e a simulação de osteotomias e de movimentação óssea,
por exemplo; as análises cefalométricas empregadas ainda são estritamente em 2D, sendo realizadas
sobre planos de projeção. Considerando que a TC
fornece mais informações a respeito da anatomia do
paciente do que a telerradiografia, então parece ser
mais vantajoso realizar a análise em 3D do que em
planos. A existência de uma análise com medidas
em 3D certamente beneficiará o estudo de casos clínicos mais complexos, como de assimetrias, e poderá tornar a tecnologia atual definitivamente independente das análises convencionais.
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